การคำนวณกระแสลัดวงจร (Short Circuit Calculation) Piyadanai Pachanapan, 303426 Electrical System Design, EE&CPE, NU

การลัดวงจร (Short Circuit) ในระบบ ** ต้องคำนึงถึงการ Co ordination อุปกรณ์ป้องกัน **

การลัดวงจร (Short Circuit) ในระบบ

การลัดวงจร (Short Circuit) ในระบบ ** ต้องคำนึงถึงค่า Interrupting Rating เสมอ **

การลัดวงจร (Short Circuit) ในระบบ

ลักษณะรูปคลื่นกระแสลัดวงจร

รูปแบบการลัดวงจรในระบบ Line to Ground Fault Line to Neutral Fault Line to Line Fault Double Line to Ground Fault Three Phase Fault รุนแรงที่สุด !!

โอกาสการลัดวงจรในระบบ Line to Ground Fault = 70 % Line to Line Fault = 15 % Double Line to Ground Fault = 10 % Three Phase Fault = 5 %

ตำแหน่งที่มักเกิดการลัดวงจรในงานระบบไฟฟ้า จุดที่ต่อโหลดใช้งาน ในท่อร้อยสายไฟฟ้า ตู้แผงวงจรย่อย (Panel Board) ตู้ MDB (Main Distribution Board) หม้อแปลงไฟฟ้า

สาเหตุการลัดวงจรในงานระบบไฟฟ้า ความประมาท + เผลอเรอของมนุษย์ - ติดตั้งอุปกรณ์ไม่เรียบร้อยและถูกต้องตามหลักวิชาการ - ลืมเครื่องมือทำงานทิ้งไว้ ฉนวนของอุปกรณ์เสื่อมสภาพ - ออกแบบไม่เหมาะสมกับสภาพการใช้งาน - หมดอายุการใช้งาน (ใช้งานมานาน) ขนาดการบำรุงรักษาที่ดี

สาเหตุการลัดวงจรในงานระบบไฟฟ้า สัตว์ - กัดสายไฟ ทำให้ฉนวนขาด / ชำรุด - เข้าไปอยู่ในตู้ควบคุมไฟฟ้า

ผลที่เกิดขึ้น เมื่อเกิดการลัดวงจรในระบบ กระแสจะไหลในระบบจำนวนมาก (> 1,000 A) แบบทันทีทันใด สายไฟฟ้าจะรับกระแส เกินพิกัด อุปกรณ์ไฟฟ้าในระบบ รับกระแสเกินพิกัด อุปกรณ์ป้องกัน (fuse & Circuit Breaker) อาจเกิดการระเบิดได้ ถ้าพิกัดการทนกระแสลัดวงจรต่ำกว่าค่ากระแสที่เกิดขึ้น

ผลกระทบที่ตามมา หลังการลัดวงจร เป็นสาเหตุของเพลิงไหม้ ระบบไฟฟ้าขาดเสถียรภาพ - ไฟฟ้าดับทั้งระบบ ส่งผลต่อโหลดข้างเคียง - ไฟฟ้าดับบางส่วน ระบบการผลิตต้องถูกหยุด  สูญเสียรายได้

การแก้ปัญหา คาดการณ์ล่วงหน้า ออกแบบ/เลือกใช้อุปกรณ์ป้องกันให้เหมาะสม เพิ่มความระมัดระวัง - จุดที่ล่อแหลม ที่อาจเกิดสภาวะลัดวงจรได้ง่าย - แบ่งโซนป้องกัน ออกแบบ/เลือกใช้อุปกรณ์ป้องกันให้เหมาะสม - Fuse - Circuit Breaker

แหล่งกำเนิดกระแสลัดวงจร เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซิงโครนัสมอเตอร์ อินดัคชั่นมอเตอร์ ระบบไฟฟ้า

ขนาดกระแสลัดวงจร ขนาดกระแสลัดวงจร มีค่าเท่ากับ ผลบวกของกระแสลัดวงจรที่เกิดจากแหล่ง กำเนิดอื่นๆ

ประเภทของกระแสลัดวงจร แบบสมมาตร (Symmetrical) แบบไม่สมมาตร (Unsymmetrical)

วิธีการคำนวณกระแสลัดวงจร คำนวณโดยวิธีตามมาตรฐาน IEC 60909 แบ่งเป็น 2 กรณี คือ กระแสลัดวงจรที่จุดเซอร์วิสเอนทรานซ์ กระแสลัดวงจรกรณีเกิดลัดวงจร ณ จุดต่างๆ ในระบบไฟฟ้า

กระแสลัดวงจรที่จุดเซอร์วิสเอนทรานซ์ การหาขนาดกระแสลัดวงจรที่เกิดขึ้น ณ จุดบัสบาร์ (ตู้ MDB) ของระบบ ใช้หาขนาด IC ของอุปกรณ์ป้องกันตัวเมน และสายป้อน เหมาะสำหรับใช้หากระแสลัดวงจร ในระบบที่มีวงจรไม่ซับซ้อน

กระแสลัดวงจรที่จุดเซอร์วิสเอนทรานซ์ พบว่า กระแสลัดวงจรเกิดจาก : กระแสลัดวงจรจากหม้อแปลงไฟฟ้า (IU) สายเมน กระแสลัดวงจรจากมอเตอร์ไฟฟ้า (IM) สายป้อน A สายป้อน B

กระแสลัดวงจรจากหม้อแปลงไฟฟ้า (IU) คำนวณจาก 100 x IFL,Tr IU = % Zk เมื่อ IU คือ กระแสลัดวงจรด้านทุติยภูมิของหม้อแปลง IFL,Tr คือ กระแสพิกัดทางด้านทุติยภูมิของหม้อแปลง คือ อิมพีแดนซ์โวลต์เตจ (Impedance Voltage) ของหม้อแปลง % Zk

กระแสพิกัดทางด้านทุติยภูมิของหม้อแปลง (IFL) คำนวณจาก เมื่อ S คือ ขนาดพิกัดของหม้อแปลงไฟฟ้า (VA) VL คือ ขนาดแรงดันไฟฟ้าระหว่างสายด้านทุติยภูมิของหม้อแปลง (V) (กฟภ. = 400 V ; กฟน. = 416 V)

Impedance Voltage (Zk) แรงดันพิกัด ซึ่งได้จากการทำสอบหม้อแปลงด้วยวิธี Short Circuit Test หาค่าได้จากเอกสารของผู้ผลิตหม้อแปลง บางผลิตภัณฑ์ใช้ตัวอักษร Uk แทน Zk

ค่า Zk มักบอกค่าเป็นเปอร์เซ็นต์ ซึ่งหามาจาก ทดสอบการลัดวงจร 22 kV / 416-240 V วัดแรงดันลัดวงจรจาก Voltmeter ได้ 850 V. จะได้ ตัวอย่าง

ค่ามาตรฐานของ Impedance Voltage (Zk) ขนาดหม้อแปลงไฟฟ้า มาตรฐานประเทศ Italy มาตรฐานประเทศ France

ตัวอย่าง 1 จงคำนวณหากระแสลัดวงจรที่เกิดขึ้น เมื่อหม้อแปลงมีขนาด พิกัด 1600 kVA 24 kV/416-240 V

หากระแสลัดวงจร (จากหม้อแปลง) ได้จาก หม้อแปลงมาตรฐาน CEI ใช้ Zk = 6.25 % ควรเลือก CB ที่มีค่า IC > 36 kA  35 kA หรือ 42 kA (3 เฟส) (1 เฟส)

กระแสเสริมจากมอเตอร์ไฟฟ้า (IM) เมื่อเกิดลัดวงจรขึ้นในระบบไฟฟ้า มอเตอร์ประเภท อซิงโครนัส (Asynchronous Motor) จะจ่ายกระแสเสริมเข้าไปในระบบ ทำให้ค่ากระแสลัดวงจรรวม มีค่าสูงขึ้น พบว่า ขนาดกระแสเสริมจากมอเตอร์จะมีค่าประมาณ 4 เท่าของกระแสโหลดเต็มที่ของมอเตอร์

ขนาดกระแสเสริมจากมอเตอร์ไฟฟ้า คำนวณจาก เมื่อ IM คือ กระแสเสริมจากมอเตอร์ไปยังตำแหน่งที่เกิดลัดวงจร (A) IFL,M คือ กระแสโหลดเต็มที่ของมอเตอร์ (A)

ตัวอย่างที่ 2 จงคำนวณหาขนาดกระแสลัดวงจรที่จุด A เมื่อเกิดลัดวงจรที่ Bus Bar ในตู้ MDB

กระแสลัดวงจรจากหม้อแปลงไฟฟ้า (IU)

กระแสเสริมจากมอเตอร์ไฟฟ้า (IM) จะได้

ขนาดกระแสลัดวงจรที่จุด A เท่ากับ จะได้

เป็นกระแสลัดวงจรที่มีขนาดมากที่สุด ถ้าอุปกรณ์ทนได้ 2. กระแสลัดวงจรที่จุดใดๆ ในระบบไฟฟ้า ใช้สำหรับหาค่าพิกัดทนกระแสลัดวงจร (Interupting Capacity, IC) ของอุปกรณ์ป้องกันกระแสเกินทุกตัว ในระบบไฟฟ้า ค่าคำนวณได้ คือ ค่ากระแสลัดวงจรแบบสมมาตร 3 เฟส เป็นกระแสลัดวงจรที่มีขนาดมากที่สุด ถ้าอุปกรณ์ทนได้ ก็จะปลอดภัยที่สุด

ขั้นตอนคำนวณ กระแสลัดวงจรที่จุดใดๆ ในระบบไฟฟ้า 1. เขียนแผนภาพอิมพีแดนซ์ (Impedance Diagram) 2. กำหนดค่าอิมพีแดนซ์ในส่วนต่างๆ ระบบไฟฟ้า หม้อแปลงไฟฟ้า สายเมน สายป้อน สายป้อนย่อย สายวงจรย่อย

แผนภาพอิมพีแดนซ์ (Impedance Diagram) ระบบไฟฟ้า หม้อแปลง ไฟฟ้า สายประธาน สายป้อน สายป้อนย่อย หรือ สายวงจรย่อย

กระแสลัดวงจร คำนวณจาก ISC เมื่อ คือ กระแสลัดวงจรสมมาตร 3 เฟส VL คือ แรงดันไฟฟ้าด้านแรงต่ำของหม้อแปลง ( กฟภ. = 400 V ; กฟน. = 416 V) Zt คือ อิมพีแดนซ์รวม ขณะเกิดลัดวงจร

อิมพีแดนซ์ของระบบไฟฟ้า (ZN) จาก IEC 60909 ค่า ZN หาได้จาก เมื่อ ZN คือ อิมพีแดนซ์ของระบบไฟฟ้า c คือ ค่าคงที่แรงดัน (Voltage Factor) V คือ แรงดันไฟฟ้าด้านปฐมภูมิของหม้อแปลง (แรงสูง) MVASC คือ พิกัดกำลังไฟฟ้าลัดวงจรของระบบไฟฟ้า tr คือ อัตราส่วนแรงดันของหม้อแปลง (Turn Ratio)

ตารางค่าคงที่ c (Voltage Factor) ของ IEC 60909

พิกัดกระแสลัดวงจร (MVASC) สามารถหาค่าได้จากระดับแรงดันของระบบที่พิจารณา 1. ระดับแรงดันไม่เกิน 24 kV - ค่า MVASC = 500 MVA 2. ระดับแรงดันมากกว่า 24 kV - ค่า MVASC = 1,000 MVA Std. IEC & CEI

การไฟฟ้านครหลวง (กฟน.) ระบบ 24 kV / 416-240 V จะได้

การไฟฟ้าภูมิภาค (กฟภ.) ระบบ 22 kV / 400-230 V จะได้

ค่า RN และ XN ของระบบไฟฟ้า จาก หาได้จาก

ตาราง สรุปค่าอิมพีแดนซ์ของระบบไฟฟ้า พิกัดกำลังไฟฟ้า (MVASC) ZN XN RN 22 kV / 400-230 V 500 0.3520 0.3502 0.0350 24 kV / 416-240 V 0.3807 0.3788 0.0379

อิมพีแดนซ์ของหม้อแปลงไฟฟ้า (ZTr) คำนวณได้จากข้อมูลพิกัดของหม้อแปลงไฟฟ้า ดังสมการ : และจากการทดสอบแบบลัดวงจร จะได้

เมื่อพารามิเตอร์ต่างๆ มีความหมายดังนี้ : ZTr คือ อิมพีแดนซ์ของหม้อแปลงไฟฟ้า RTr คือ ความต้านทานของหม้อแปลงไฟฟ้า XTr คือ รีแอคแทนซ์ของหม้อแปลงไฟฟ้า VL คือ แรงดันไฟฟ้าด้านแรงต่ำของหม้อแปลงไฟฟ้า Pcu,loss คือ กำลังไฟฟ้าสูญเสียในขดลวดของหม้อแปลงไฟฟ้า

ค่า Pcu,loss ตามมาตรฐาน UNEL 21001-74 [I] และ DIN 42500 ค่า Pcu,loss ตามมาตรฐาน NFC 15-105[P]

ตัวอย่าง 3 จงหาค่าอิมพีแดนซ์ลัดวงจรของหม้อแปลงไฟฟ้า มาตรฐาน NFC ขนาดพิกัด 1,600 kVA ระบบไฟฟ้า 22 kV/400-230 V. วิธีทำ หาค่ากระแสพิกัดของหม้อแปลงไฟฟ้า

หาขนาด %Zk หม้อแปลงขนาด 1,600 kVA ใช้ค่า %ZK = 6.00 %

หาขนาด Pcu,loss จาก จะได้

หาค่าอิมพีแดนซ์ของหม้อแปลงไฟฟ้า จาก

หาค่าความต้านทานของหม้อแปลงไฟฟ้า จาก หาค่าความรีแอคแตนซ์ของหม้อแปลงไฟฟ้า จาก

อิมพีแดนซ์ของสายไฟฟ้า (ZM , ZF , ZSf ) หาได้จากตารางข้อมูล ค่า R และ X ของสายไฟฟ้าแต่ละชนิด ค่าที่ใช้ พิจารณาที่อุณหภูมิ 40 oC

สาย THW 40 oC

R และ X ของบัสเวย์ (Bus Way)

ตัวอย่างที่ 4 จากวงจรในรูป ระบบอยู่ในเขตจำหน่ายของ กฟน. 24 kV/416-240 V พิกัดกำลังไฟฟ้าลัดวงจร 500 MVA กำหนดให้ สายประธานแรงต่ำจากหม้อแปลงไฟฟ้าถึงตู้ MDB ใช้สายขนาด 4 set of (3x300 mm2, 1x240 mm2(N) THW) ในท่อ IMC ระยะทาง 30 เมตร และ สายป้อนจากตู้ MDB ถึงจุดเกิดลัดวงจรใช้สายขนาด 3x185 mm2, 1x95 mm2 (N) THW ในท่อ IMC ระยะทาง 50 เมตร จงคำนวณหาค่ากระแสลัดวงจรที่คาดว่าอาจจะเกิดขึ้นที่ จุด A (ในตู้ MDB) จุด B (ที่บริเวณสายป้อน)

กรณีที่ 1 เกิดลัดวงจรที่จุด A MDB ระบบไฟฟ้า หม้อแปลง ไฟฟ้า สายประธาน สายป้อน ZN ZTr ZM ZF

หาค่าอิมพีแดนซ์ของระบบไฟฟ้า (ZN) พิกัดกำลังไฟฟ้า (MVASC) ZN XN RN 22 kV / 400-230 V 500 0.3520 0.3502 0.0350 24 kV / 416-240 V 0.3807 0.3788 0.0379 ระบบ กฟน. 24 kV/416-240 V จะได้ ZN เท่ากับ

หาค่าอิมพีแดนซ์ของหม้อแปลงไฟฟ้า (ZTr) โจทย์ไม่บอกค่า Pcu,loss มาให้ อาจหาขนาด Pcu,loss จาก จะได้

หาค่าอิมพีแดนซ์ของหม้อแปลงไฟฟ้า จาก

หาค่าความต้านทานของหม้อแปลงไฟฟ้า จาก

หาค่าความรีแอคแทนซ์ของหม้อแปลงไฟฟ้า จาก เขียนค่าอิมพีแดนซ์ของหม้อแปลง เป็นจำนวนเชิงซ้อนได้เป็น

สายประธาน สายประธานขนาด 4 set of (3x300 mm2, 1x240 mm2(N) THW) ในท่อ IMC หมายถึง เดินสายจากหม้อแปลงไปตู้ MDB ด้วยสาย มอก.11-2531 ตารางที่ 4 แยกเป็น 4 ท่อ แต่ละท่อประกอบด้วยสาย 4 เส้น แยกเป็นสายเฟส (A, B, C) ขนาด 300 mm2 จำนวน 3 เส้น และสายนิวทรัลขนาด 240 mm2 จำนวน 1 เส้น รวมเดินสายทั้งหมด 16 เส้น ** เป็นการเดินสายแต่ละเฟส ด้วยสายควบขนาด 300 mm2 จำนวน 4 เส้น ต่อ เฟส นั่นเอง

เดินสายควบ เป็นการเดินสายขนาดเดียวกัน และความยาวเท่ากัน (ค่าอิมพีแดนซ์เท่ากัน) ขนานกัน จะได้ค่าอิมพีแดนซ์สายประธานเป็น :

สายขนาด 300 mm2 R = XL =

สายยาว 30 เมตร และควบกัน 4 เส้น จะได้ จะได้ค่าอิมพีแดนซ์สายประธาน (ZM) เท่ากับ

รวมค่าอิมพีแดนซ์ถึงจุดลัดวงจร A คำนวณเฉพาะขนาด จะได้

หาขนาดกระแสลัดวงจร

หาค่ากระแสเสริมจากมอเตอร์ไฟฟ้า - กลุ่มของมอเตอร์ขนาด รวม 200 kVA

หาค่ากระแสลัดวงจรทั้งหมด เมื่อเกิดลัดวงจรที่จุด A = = 20.69 + 1.22 = 21.91 kA ควรใช้เซอร์กิตเบรกเกอร์ขนาด IC 25 kA (480 V)

กรณีที่ 2 เกิดลัดวงจรที่จุด B MDB ระบบไฟฟ้า หม้อแปลง ไฟฟ้า สายประธาน สายป้อน ZN ZTr ZM ZF

จากกรณีที่ 1 ได้ค่าอิมพีแดนซ์แต่ละส่วน เท่ากับ 1. ระบบไฟฟ้า 24 kV/416-240 V พิกัดกำลังไฟฟ้าลัดวงจร 500 MVA 2. หม้อแปลงไฟฟ้าขนาด 1000 kVA 3. สายประธานขนาด 4 set of (3x300mm2, 1x240mm2 THW) in IMC

สายป้อน (Feeder) สายป้อนขนาด 3x185 mm2, 1x95 mm2 THW ในท่อ IMC ดูตาราง หาค่า R และ X ของสาย THW ขนาด 185 mm2

สายขนาด 185 mm2 R = XL =

สายยาว 50 เมตร จะได้ จะได้ค่าอิมพีแดนซ์ของสายป้อน (ZF) เท่ากับ

รวมค่าอิมพีแดนซ์ถึงจุดลัดวงจร คำนวณเฉพาะขนาด จะได้

หาขนาดกระแสลัดวงจร (ISC)

หาค่ากระแสเสริมจากมอเตอร์ไฟฟ้า - กลุ่มของมอเตอร์ขนาด รวม 200 kVA

หาค่ากระแสลัดวงจรทั้งหมด เมื่อเกิดลัดวงจรที่จุด B = = 13.02 + 1.22 = 14.24 kA ควรใช้เซอร์กิตเบรกเกอร์ขนาด IC 14 kA (480 V)

ตัวอย่าง 5 จงหาค่าพิกัดกระแสลัดวงจรของเซอร์กิตเบรกเกอร์ที่เหมาะสม

แผนภาพอิมพีแดนซ์ ระบบไฟฟ้า หม้อแปลง ไฟฟ้า สายประธาน สายป้อน

END OF SECTION